Få en opladning fra ændringer i luftfugtighed

(Phys.org) — En ny type elektrisk generator bruger bakteriesporer til at udnytte den uudnyttede kraft fra fordampende vand, ifølge forskning udført ved Wyss Institute of Biologically Inspired Engineering ved Harvard University. Dets udviklere forudser elektriske generatorer drevet af ændringer i luftfugtighed fra solvarme damme og havne.

Prototypegeneratorerne virker ved at udnytte bevægelsen af ​​en plade gummi belagt på den ene side med sporer. Laget bøjes, når det tørrer ud, ligesom en kogle åbner sig, når den tørrer, eller et nyfaldent blad krøller, og retter sig derefter, når luftfugtigheden stiger. En sådan bøjning frem og tilbage betyder, at sporebelagte plader eller bittesmå planker kan fungere som aktuatorer, der driver bevægelse, og den bevægelse kan høstes for at generere elektricitet.

"Hvis denne teknologi udvikles fuldt ud, det har et meget lovende slutspil, " sagde Ozgur Sahin, hvem ledede undersøgelsen, først på Harvard's Rowland Institute, senere på Wyss Institute, og senest ved Columbia University, hvor han nu er lektor i biologiske videnskaber og fysik. Sahin samarbejdede med Wyss Institute Core Faculty-medlem L. Mahadevan, som også er Lola England de Valpine professor i anvendt matematik, organismisk og evolutionær biologi, og fysik på School of Engineering and Applied Sciences ved Harvard University, og Adam Driks, professor i mikrobiologi og immunologi ved Loyola University Chicago Stritch School of Medicine. Forskerne rapporterede deres arbejde i går i Natur nanoteknologi .

Vandfordampning er den største energikilde i naturen, sagde Sahin. "Sollys rammer havet, varmer det op, og energi skal forlade havet gennem fordampning, " forklarede han. "Hvis du tænker på al isen på toppen af ​​Mount Everest – hvem tog denne enorme mængde materiale derop? Der er energi i fordampning, men det er så subtilt, at vi ikke kan se det."

Men indtil nu har ingen brugt den energi til at generere elektricitet.

Da Sahin forfulgte ideen om en ny fugtdrevet generator, han indså, at Mahadevan havde undersøgt lignende problemer fra et fysisk perspektiv. Specifikt, han havde karakteriseret hvordan fugt deformerer materialer, herunder biologiske materialer såsom kogler, blade og blomster, samt menneskeskabte materialer såsom et ark silkepapir, der ligger i et fad med vand.

Sahin samarbejdede med Mahadevan og Driks om en af ​​disse undersøgelser. En jordbakterie kaldet Bacillus subtilis rynker, når den tørrer ud som en drue, der bliver til en rosin, danner en sej, sovende spore. Resultaterne, som de rapporterede i 2012 i Journal of the Royal Society Interface , forklaret hvorfor.

I modsætning til rosiner, som ikke kan omdannes til druer, sporer kan tage vand og næsten øjeblikkeligt genoprette sig selv til deres oprindelige form. Sahin indså, at da de krymper reversibelt, de skulle lagre energi. Faktisk, sporer ville være særligt gode til at lagre energi, fordi de er stive, men stadig udvide og kontrahere en hel del, forudsagde forskerne.

"Da skiftende fugtniveauer deformerer disse sporer, det fulgte, at enheder, der indeholder disse materialer, skulle være i stand til at bevæge sig som reaktion på skiftende luftfugtighedsniveauer, " sagde Mahadevan. "Nu har Ozgur vist meget flot, hvordan dette kunne bruges praktisk."

Da Sahin første gang satte sig for at måle sporernes energi, han blev overrasket.

Han lagde en opløsning tyk med sporer på en lille, fleksibel silicium planke, forventer at måle den fugtighedsdrevne kraft i et tilpasset atomkraftmikroskop. Men før han kunne indsætte planken, han så det buede og rettede sig med sit blotte øje. Hans ind- og udånding havde ændret fugtigheden subtilt, og sporerne havde reageret.

"Jeg indså da, at dette var ekstremt kraftfuldt, " sagde Sahin.

Faktisk, blot at øge fugtigheden fra en tør, solskinsdag til en fugtig, tåget en muliggjorde det fleksible, sporebelagt planke til at generere 1000 gange så meget kraft som menneskelig muskel, og mindst 10 gange så meget som andre materialeingeniører i øjeblikket bruger til at bygge aktuatorer, Sahin opdagede. Faktisk, at fugte et halvt kilo tørre sporer ville generere nok kraft til at løfte en bil en meter fra jorden.

For at bygge en sådan aktuator, Sahin testede, hvor godt spore-coatede materialer såsom silicium, gummi, plast, og klæbende tape lagret energi, slår sig på gummi som det mest lovende materiale.

Så byggede han en simpel fugtdrevet generator ud af LegosTM, en miniature fan, en magnet og en sporebelagt cantilever. Mens cantileveren vipper frem og tilbage som reaktion på fugt, den driver en roterende magnet, der producerer elektricitet.

Sahins prototype fanger kun en lille procentdel af den energi, der frigives ved fordampning, men det kunne forbedres ved at genmanipulere sporerne til at være stivere og mere elastiske. Ja, i tidlige eksperimenter, sporer af en mutantstamme leveret af Driks lagrede dobbelt så meget energi som normale stammer.

"Sol- og vindenergi svinger dramatisk, når solen ikke skinner, eller vinden ikke blæser, og vi har ingen god måde at opbevare nok af det til at forsyne nettet i lang tid, " sagde Wyss Institutes stiftende direktør Don Ingber, M.D., Ph.D. "Hvis ændringer i luftfugtighed kunne udnyttes til at generere elektricitet nat og dag ved hjælp af en opskaleret version af denne nye generator, det kunne give verden en desperat tiltrængt ny kilde til vedvarende energi."

For mere om potentialet i denne sporeholdige aktuator og generator, se denne korte animation: